压铸铝中的合金元素

介绍

铸造 施加了非常具体的限制: 快速填充, 高冷却速率, 薄部分, 对夹带气体极其敏感, 氧化物和金属间化合物.

设计驱动因素通常包括: 薄壁可可的性能, 维度的准确性, 静态强度, 疲劳性能, 耐腐蚀性, 耐磨性和热稳定性.

合金化决定熔化/凝固行为和最终微观结构, 因此支撑着每一个驱动因素.

了解各个元素的影响及其相互作用对于冶金学上合理的合金选择至关重要.

压铸铝合金是以纯铝为基础设计的 (比重约为 2.7 g/cm³ 的轻质金属), 其固有的机械强度较低, 铸造性差, 和有限的耐磨性,

使其不适合汽车结构或功能部件, 航天, 液压, 和电子行业.

为了克服这些限制, 战略性地添加关键合金元素以调整合金的微观结构, 铸造行为, 和服务表现.

主要合金元素包括硅 (和), 铜 (铜), 和镁 (毫克), 当熨斗 (铁), 锰 (Mn), 锌 (Zn), 和其他微量元素作为受控添加剂或杂质来微调加工性能和性能.

1. 主要合金元素: 定义核心性能

主要合金元素的添加浓度相对较高 (通常≥1 wt%) 负责压铸件的基本分类和核心性能 铝 合金.

硅, 铜, 而镁是最关键的, 因为它们直接控制可铸性, 力量, 和耐腐蚀性——合金选择的三个关键标准.

硅 (和): 可铸性的基石

硅是几乎所有商用压铸铝合金中最主要的合金元素, 典型浓度范围为 7–18 wt%.

其主要作用是大幅改善熔体流动性并减少凝固缺陷, 同时也贡献力量, 刚性, 和尺寸稳定性——使其成为铸造复杂零件不可或缺的材料, 薄壁组件.

这对于高压压铸尤其重要 (HPDC), 熔融金属必须填充微腔 (壁厚≤0.6毫米) 高速时 (2–5 m/s) 无冷隔或误运行.

作用机制:

• 增强流动性: 如果降低铝液温度 (从 660 °C（纯铝）至 570–600 °C（铝硅合金）) 并通过降低原子键合力来降低熔融金属的粘度.
  Si的高结晶热也延长了熔融状态, 延长流动长度.
  根据 NADCA 测试数据, 亚共晶铝硅合金 (7-9 wt% 硅, 例如。, A380) 达到 380–450 mm 的螺旋流动度 720 °C,
  而近共晶合金 (10.7–12.5 wt% 硅, 例如。, A413) 达到 450–520 毫米（提高 15–20%）和过共晶合金 (14–16 wt% 硅, 例如。, B390) 达到 480–550 毫米.
• 减少凝固收缩: 纯铝在凝固过程中的体积收缩约为 6.6%, 这会导致收缩孔隙和尺寸变形.
  Si 通过形成共晶将收缩率降低至 4.5–5.5% (α-铝 + 和) 均匀凝固的结构.
  当 Si 接近共晶水平时 (11.7 Al-Si二元系中的wt%), 凝固间隔 (液固温差) 急剧缩小——从亚共晶合金的 40–55 °C 到仅 15 °C 近共晶合金 (例如。, A413).
  这种狭窄的间隔最大限度地减少了合金在脆性半固态“糊状区域”中停留的时间,透明
  减少热撕裂 (热脆) 趋势: 近共晶合金具有热撕裂废品率 <0.3%, 相比之下，Si 含量较低的亚共晶合金为 1.5–3.0% (例如。, A356, 6.5–7.5 wt% 硅).
• 强化和刚度: Si 形成坚硬, 分散强化颗粒 (共晶硅或初晶硅) 在软 α-Al 基体中.
  Eutectic Si (硬度≈ 800 HV) 抵抗塑性变形, 而初生硅 (由过共晶合金形成, 硬度≈ 1000 HV) 显着提高耐磨性.
  Si 还可以增加弹性模量 (从 70 纯 Al 的 GPa 至 Al-Si 合金的 75–80 GPa) 并降低热膨胀系数 (CTE),
  提高热循环下的尺寸稳定性——对于散热器和精密外壳等组件至关重要.

内容效果和权衡:

• 亚共晶 (硅 = 7–11.7 重量%): A380 等合金 (7.5-9.5 wt% 硅) 和A360 (9.0–10.0 wt% 硅) 形成初生 α-Al 晶粒加共晶 (α-铝 + 和).
  他们平衡力量 (UTS = 260–380 兆帕) 和延性 (伸长率 = 2.0–5.0%) 但流动性低于近共晶合金.
  这些是最广泛使用的压铸合金, 适用于通用结构部件 (例如。, 汽车住房, 括号).
• 近共晶 (并且 ≈ 11.7 wt％): A413 等合金 (10.7–12.5 wt% 硅) 具有最小的初生 α-Al, 大部分显微组织由细小的共晶组成.
  它们表现出最佳的流动性, 压力密封性 (泄漏抑制率 <0.5%), 和抗热撕裂性——使其成为保压组件的理想选择 (例如。, 液压歧管, 阀体) 和超薄壁零件 (0.6–0.8毫米).
• 过共晶 (硅 = 12–18 重量%): B390 等合金 (14–16 wt% 硅) 形成粗大的初​​生硅颗粒加共晶.
  初晶硅显着提高耐磨性 (适用于发动机气缸, 活塞) 但会降低延展性 (伸长 <2.0%) 由于初生硅颗粒的磨料性质而具有可加工性.
  硅含量过高 (>18 wt％) 导致严重的脆性和铸造缺陷.

总之, 硅是铝压铸的“推动者”, 使得生产复杂的产品成为可能, 无缺陷部件，同时增强压力密封性和刚度——解释为什么铝硅合金占主导地位 90%+ 商业压铸铝应用 (NADCA统计数据).

铜 (铜): 主要力量增强剂

压铸铝合金中添加的铜浓度范围为 0.1–4.0 wt%, 主要通过固溶强化和沉淀硬化来提高机械强度和硬度.

它是需要高承载能力的合金的关键元素, 例如汽车结构件和重型支架.

符合 ASTM B85 标准, 严格控制铜含量以平衡强度和其他性能.

作用机制:

• 实心溶液加强: Cu 在 α-Al 基体中具有高溶解度 (到 5.6 重量% 548 °C), 扭曲面心立方 (FCC) 铝晶格.
  这种扭曲增加了对塑性变形的抵抗力, 显着提高拉伸强度和硬度.
  例如, A380 (铝–硅–3.5铜) 具有约 324 MPa 的 UTS 和布氏硬度 (HB) 80–100 的, 与 A360 的 ~310 MPa 和 75–95 HB 相比 (铝-硅-0.5铜) A413 约为 290 MPa 和 70–90 HB (铝-硅-0.05铜).
• 降水硬化: 用于可热处理压铸合金 (例如。, A201, 铜 = 4.0–5.0 重量%), Cu 在 T5/T6 热处理过程中形成细小的 Al2Cu 沉淀物 (解决方案退火 + 老化), 进一步增强实力.
  然而, 大多数压铸合金 (例如。, A380, A413) 由于 HPDC 过程中快速冷却，因此无需进行工业热处理,
  尽管如此，它仍将 Cu 捕获在固溶体中, 仅固溶强化效应就足以满足大多数高强度应用.
• 高温强度: Cu 提高高温下的强度保持率 (150–250°C) 通过稳定 α-Al 基体并防止晶粒长大,
  使其适合暴露于中等热量的组件 (例如。, 发动机支架, 排气系统零件).

权衡和限制:

• 铸造性降低: Cu 拓宽了 Al-Si 合金的凝固区间——A380 具有 40 °C 间隔 vs. 15 A413 的°C——增加热撕裂倾向和收缩孔隙率.
  精心的浇口/立管设计, 冷却应用, 和工艺参数调整 (例如。, 较低的注射速度, 更高的模具温度) 需要减轻这些缺陷.
• 耐腐蚀性严重下降: 铜与铝形成原电池 (Cu 充当阴极, 铝作为阳极), 潮湿环境下加速点蚀, 咸水, 或工业环境.
  即使铜含量很少 (0.3–0.5 重量%) 会促进局部腐蚀, 而水平 >1.0 wt％ (例如。, A380) 未经表面处理，该合金不适合户外或海洋应用 (阳极氧化, 粉末涂料).
  相比之下, 低铜合金 (<0.15 wt％, 例如。, A413, A360) 表现出优异的耐腐蚀性, 在 ASTM B117 盐雾测试中，使用寿命比 A380 长 3-5 倍.
• 延展性降低: Cu 形成脆性金属间相 (al₂cu, Al₅Cu2Mg₈Si₆) 在晶界, 充当应力集中源并降低延展性.
  A380 的伸长率为 2.0–3.0%, 相比之下，A413 为 3.5–6.0%，A360 为 3.0–5.0%.

本质上, Cu 是一种“强度与腐蚀”的权衡元素: 它可以实现高强度压铸部件，但需要仔细考虑腐蚀风险和铸造工艺调整.

镁 (毫克): 协同强度和腐蚀控制

压铸铝合金中添加镁的浓度范围为 0.05–5.0 wt%, 其角色根据内容的不同而显着变化.

在大多数铝硅压铸合金中 (例如。, A413, A380), 镁含量保持在较低水平 (~0.05–0.1 重量%) 优先考虑可铸性, 而在特殊合金中 (例如。, A360, 518), 它被提升以增强强度和耐腐蚀性.

作用机制:

• 通过 Mg2Si 沉淀硬化: Mg与合金中的Si反应生成Mg2Si (硬度≈ 450 HV), 高效的强化阶段.
  Mg2Si相在凝固或热处理过程中析出, 提高屈服强度和耐磨性.
  例如, A360 (0.45–0.6 wt% 镁) 屈服强度为 160–190 MPa (铸造), 与未修改的 A413 的 140–160 MPa 相比.
  A356 等可热处理合金 (0.25–0.45 wt% 镁), T6 热处理使 Mg2Si 析出最大化, 将屈服强度提高至 310–350 MPa.
• 实心溶液加强 (低镁含量): 低浓度时 (0.05–0.1 重量%), Mg 溶解在 α-Al 基体中, 提供适度的固溶强化，而不会显着降低流动性.
  它还有助于加工过程中切屑的形成, 通过减少切削刀具上的积屑瘤来提高机械加工性能.
• 增强的耐腐蚀性: Mg 稳定合金表面的原生 Al2O₃ 钝化氧化膜, 使其更致密、更粘附.
  这显着提高了大气中的耐腐蚀性, 淡水, 和温和的咸水环境.
  合金 518 (5–6 wt% 镁, 铝镁系) 在所有常见压铸合金中表现出最佳的耐腐蚀性, 具有优异的阳极氧化性能和抗应力腐蚀开裂性能 (SCC).
• 加工硬化能力: 镁提高铝的加工硬化率, 允许铸造后成型操作 (例如。, 弯曲, 质押) 适用于需要轻微成型的部件.

权衡和限制:

• 高镁含量时铸造性降低: Mg增加铝液粘度，加宽凝固区间.
  超过~0.3 wt%, 流动性明显下降, 热撕裂倾向增加.
  合金 518 (5–6 wt% 镁) 模具填充能力很差, 使其不适合薄壁 HPDC 零件，并限制其用于厚壁零件的重力压铸或半固态铸造 (例如。, 海洋配件).
• 氢敏感性: 镁很容易与熔体中的水分发生反应 (从原材料, 熔炉工具, 或脱模剂) 形成镁(哦)2 和氢气, 增加孔隙率.
  严格熔体脱气 (氩气或氮气旋转脱气) 含镁合金需要将氢含量降低至 <0.15 cc/100g 铝 (ASTM E259).
• 氧化敏感性: 镁在高温下迅速氧化, 形成松散的氧化镁垢，污染熔体并导致铸造缺陷.
  熔融含镁合金需要保护焊剂或惰性气体 (氩气) 覆盖以防止氧化.

2. 二次合金元素: 调节微观结构和加工性能

添加低浓度的二次合金元素 (0.1–1.5 重量%) 并充当“微观结构改性剂”以减轻杂质的有害影响 (例如。, 铁), 精炼谷物, 防止粘模, 并微调属性.

铁, 锰, 而钛是最关键的, 他们的角色紧密相互依赖.

铁 (铁): 脱模的“必要杂质”

铁通常被认为是铝合金中的杂质, 但在压铸中, 有意控制在 0.6–1.2 wt% (根据 NADCA 建议) 以防止粘模 (焊接),

HPDC 中的一个关键问题是熔融铝粘附在钢模具表面, 造成表面缺陷 (例如。, 累了) 并缩短模具寿命.

不含铁, 熔融铝将焊接到钢模具上, 使得大规模生产变得不可行.

作用机制:

• 防止粘模: Fe 形成薄层, 粘附的 Fe-Al 金属间化合物层 (主要为 FeAl₃) 在模具-铝界面处, 充当粘附屏障.
  该层降低了熔融铝对钢的润湿性, 与低铁合金相比，可防止焊接并将模具寿命延长 15-20% (<0.5 wt％).
• 减少热撕裂: Fe略微降低Al-Si合金的共晶温度, 缩小凝固区间，降低热裂倾向——与Si的效果相辅相成.
• 提高尺寸稳定性: 控制铁含量 (0.8–1.0 重量%) 减少凝固过程中的晶粒生长, 提高尺寸稳定性并减少热循环变形.

有害影响和缓解措施:

• 脆性金属间化合物的形成: Fe 在固体铝中的溶解度几乎为零，并且形成坚硬的, 针状 β-Al₉Fe2Si2 金属间化合物 (硬度≈ 900 HV) 在微观结构上.
  这些针状颗粒充当裂纹引发剂, 大大降低延展性和韧性——过量的铁 (>1.2 wt％) 可以减少伸长率 50% 或更多并导致使用中脆性断裂.
• 强度降低: 超过 ~0.5 wt%, Fe 通过形成粗大的金属间化合物来破坏 α-Al 基体，从而开始降低抗拉强度.
  例如, 铝硅合金 1.5 wt% Fe 的 UTS 比相同合金低 10-15% 0.8 重量%铁.
• 通过 Mn/Cr 缓解: 添加锰 (Mn) 或铬 (Cr) 将针状 β-Al₉Fe2Si2 金属间化合物改性为致密的,
  汉字形α-AlFeMnSi或α-AlFeCrSi金属间化合物, 对延展性和韧性危害较小.
  最佳Mn/Fe比为0.5–0.8: 锰/铁 <0.5 导致修改不完全, 而锰/铁 >0.8 形成粗大的 Al₆Mn 金属间化合物，降低延展性.

锰 (Mn): 改性富铁金属间化合物

几乎所有压铸铝合金中都添加了锰，浓度为 0.1–0.5 wt%, 其唯一的主要作用是中和铁的有害影响.

与铜或镁不同, 锰不会显着改变铸造性或耐腐蚀性, 以最小的权衡使其成为“有益的修饰符”.

作用机制:

• Fe相改性: Mn与熔体中的Fe、Si反应生成α-AlFeMnSi金属间化合物, 其中有一个紧凑的, 非针状形态 (汉字或球体) 与脆性针状 β-Al₉Fe2Si2 相比.
  这种修改减少了应力集中并防止裂纹扩展, 延展性和韧性提高 20-30%.
  例如, 在A413 (铁≤1.5重量%, 锰≤0.5重量%), Mn将β-AlFeSi改性为α-AlFeMnSi, 伸长率增加 1.5–2.5% (未修改的) 至 3.5–6.0% (修改的).
• 适度固溶强化: Mn 微溶于 α-Al 基体 (溶解度 ≈ 1.8 重量% 658 °C), 提供适度的固溶强化，而不会显着损失延展性.
  与未改性合金相比，拉伸强度提高了 5-10%.
• 细化谷物: Mn 在低浓度下形成细小的 Al₆Mn 金属间化合物, 作为 α-Al 晶粒的异质成核位点, 细化微观结构并提高性能均匀性.

内容控制: Mn 严格限制在 ≤0.5 wt% (哮喘B85) 因为过量的Mn形成粗大的Al₆Mn金属间化合物, 充当应力集中源并降低延展性.

浓度 <0.1 wt%不足以完全改性富铁金属间化合物, 留下残留的针状β-Al₉Fe2Si2.

钛 (的): 细化谷物

压铸铝合金中添加钛的浓度为 0.1–0.2 wt%, 主要作为晶粒细化剂以改善微观结构的均匀性, 减少热撕裂, 并增强机械性能.

常与硼配合使用 (b) 为了更有效的细化.

作用机制:

• 异质成核: Ti 与 Al 反应形成 TiAl₃ 颗粒, 其晶体结构类似于α-Al (FCC) 并在凝固过程中充当 α-Al 晶粒的成核位点.
  这将 α-Al 晶粒尺寸细化为 200–300 μm (粗) 至 50–100 微米 (精致的), 拉伸强度提高 10-15%，伸长率提高 20-30%.
• 减少热撕裂: 美好的, Ti细化形成的等轴晶粒在凝固过程中更均匀地分布拉应力,
  减少 40-50% 的热撕裂倾向——对于凝固间隔较宽的亚共晶合金尤其有利 (例如。, A356).
• 提高性能均匀性: 细化晶粒减少微观结构偏析, 确保铸造部件具有一致的机械性能——对于精密部件至关重要 (例如。, 电子外壳, 液压阀).

与硼的协同效应 (b): 添加硼 (0.005–0.01 重量%) 与Ti形成TiB2颗粒, 比 TiAl₃ 更稳定、更有效的成核位点.

Al-5Ti-1B中间合金在工业中得到广泛应用, 允许较低的钛浓度 (0.1 钛重量百分比 + 0.02 重量％B) 达到同样的细化效果 0.2 仅含钛 wt%.

3. 其他微量元素: 微调性能和加工性能

微量元素 (添加浓度≤0.5 wt%) 用于微调特定属性或可加工性, 每个元素都有其特定的作用.

镍 (在), 铬 (Cr), 锶 (Sr), 带领 (pb), 和铋 (双) 是最常见的.

镍 (在) 和铬 (Cr): 高温稳定性

• 镍 (在, ≤0.5重量%): Ni提高高温硬度, 蠕变阻力, 通过形成硬质金属间相来提高耐磨性 (铝₃镍, 铝镍硅).
  它还降低了 CTE, 提高高温下的尺寸稳定性 (200–300°C).
  B390 等合金 (14–16 wt% 硅 + 0.5 重量%) 用于高热, 耐磨部件 (例如。, 发动机气缸, 活塞套).
  然而, Ni 略微增加密度并降低延展性, 因此只有在高温性能至关重要时才添加.
• 铬 (Cr, 0.1–0.5 重量%): Cr 在高温下控制晶粒生长, 提高高温强度保持率.
  与锰类似，它还能改性富铁金属间化合物, 减少脆性. Cr 通常与 Ni 结合使用，以实现协同高温性能.

锶 (Sr): 共晶硅改性

添加痕量 Sr (0.015–0.03 重量%) 改变 Al-Si 合金中共晶 Si 的形态.

在未改性合金中, 共晶 Si 粗大生长, 降低延展性的针状颗粒——Sr 将它们转化为细小的颗粒, 纤维颗粒, 加倍伸长率 (例如。, A413 从 1.5–2.5% 降至 3.5–6.0%).

Sr 由于其长期持久性而成为 HPDC 的工业标准修饰剂 (到 60 分钟) 以及与快速铸造周期的兼容性.

然而, 它被磷中毒了 (p >0.001 wt％), 形成的 AlP 颗粒会抵消 Si 改性——有效的 Sr 改性需要严格的 P 控制.

带领 (pb) 和铋 (双): 自由安排

添加浓度为 0.1–0.3 wt% 的 Pb 和 Bi，通过形成低熔点相来改善切削加工性 (pb: 327 °C, 双: 271 °C) 在晶界.

这些阶段充当“断屑槽”,” 减少切削力和刀具磨损.

然而, 它们使合金不可焊接并降低延展性, 因此它们仅用于需要高机械加工性的部件 (例如。, 螺纹紧固件, 精密齿轮).

4. 对铸造性能和机械性能的综合影响

压铸铝合金的性能并非仅由单个元素决定, 但通过它们的协同和拮抗相互作用.

合金设计的目标是平衡铸造性 (流动性, 热撕裂强度) 和机械性能 (力量, 延性, 硬度) 根据应用要求.

关键要素相互作用及其实际后果

硅×镁 (硅镁)

• 冶金相互作用: 固溶热处理和时效后，Mg与Si结合形成Mg2Si析出物.
  Si 的存在还控制着 Mg 在凝固过程中保留在固溶体中的量与分配到金属间化合物中的量.
• 浇注效果: 近共晶硅改善流动性并降低凝固范围, 促进薄壁填充.
  将 Mg 增加到超出适度水平往往会降低流动性并扩大有效冻结间隔, 增加热撕裂风险.
• 机械权衡: 和 + 镁具有可热处理的强度 (通过 Mg2Si) 同时保持合理的刚度和热稳定性.
  最好的折衷方案是使用受控镁的近共晶硅，以实现可铸性和铸后强化.

硅×铜 (与-与)

• 冶金相互作用: 有沉淀物 (Al-Cu相) 在时效过程中形成并增加强度，但其作用独立于富硅共晶结构.
• 浇注效果: Cu 不会显着改善流动性; 如果凝固路径变得复杂，过量的 Cu 会增加热脆性和晶间裂纹的倾向.
• 机械权衡: Cu 可大幅提高 UTS 和高温保持力, 但与粗共晶结构结合时，会受到腐蚀敏感性的影响，有时还会降低延展性.

铜×镁 (铜镁)

• 冶金相互作用: 两者都通过单独的沉淀化学物质促进某些 Al-Si-Cu-Mg 合金的时效硬化; 沉淀物种群之间的相互作用会影响超龄行为.
• 演出效果: 结合适量的铜和镁可以提供更宽的强度和韧性调节范围，但提高了对热处理控制的要求，并且如果表面光洁度较差，可能会加剧微电偶腐蚀.

铁×锰 / 铬 (铁锰/铬)

• 冶金相互作用: Fe 形成硬质脆性 Al-Fe-Si 金属间化合物.
  Mn 和 Cr 将针状/针状 β 相转化为更致密的相, “汉字”或球状形态的危害要小得多.
• 可铸性和机械效应: 具有 Mn/Cr 改性的受控 Fe 可减少金属间化合物的裂纹萌生, 提高韧性和疲劳寿命，对流动性的负面影响可以忽略不计.
  当废品或工艺限制引入不可避免的铁时，这是一种经典的“损坏控制”策略.

过共晶硅, 镍和耐磨/高温添加剂

• 冶金相互作用: 高硅含量产生初生硅颗粒. Ni 和一些 Mo/Cr 添加物可在高温下稳定金属间网络.
• 权衡: 这些组合产生优异的磨损和热稳定性，但显着降低延展性并使加工和模具填充变得复杂. 仅当耐磨性或热蠕变强度占主导地位时使用.

锌相互作用

• 冶金相互作用: 少量Zn可略微提高强度; 在较高水平时，它会扩大凝固范围并增加热撕裂敏感性.
• 实用笔记: 压铸铝中的锌含量通常限制在较低水平，以避免铸造性能问题.

典型合金性能比较 (HPDC, 铸造):

5. 耐腐蚀性和热稳定性

合金成分是耐腐蚀性和高温性能的主要决定因素——对于暴露在恶劣环境或长时间高温下的部件来说，这两个关键特性.

关键要素发挥独特作用, 通常对这些绩效指标产生相反的影响, 在合金设计过程中需要仔细平衡.

耐腐蚀性

• 与是有害的: Cu是降低耐腐蚀性的主要元素, 因为它与铝形成原电池.
  含铜合金 >1.0 wt％ (例如。, A380) 需要表面处理以避免点蚀.
  低铜合金 (<0.15 wt％, 例如。, A413, A360) 表现出优异的耐腐蚀性, 使它们适合户外应用.
• 镁是有益的: Mg 稳定 Al2O₃ 钝化膜, 改善耐腐蚀性.
  合金 518 (高镁) 是最耐腐蚀的普通压铸合金, 适用于不可避免暴露于湿气或盐水的海洋和户外应用.
• Si 是中性有益的: 高达约 12 wt% 的 Si 通过形成更稳定的氧化膜来提高耐腐蚀性. 过共晶硅 (>12 wt％) 由于粗大的初生硅颗粒，可能会稍微降低耐腐蚀性, 作为腐蚀点.
• 锰是中性: Mn 对腐蚀几乎没有直接影响，但提高了均匀性, 减少可能导致过早失效的局部腐蚀点.

ASTM B117 盐雾测试证实了这些趋势: A413 没有显示明显的点蚀 1000 小时, 而 A380 在使用后出现了严重的点蚀 200 小时——强调铜含量对腐蚀性能的关键作用.

热稳定性

• 高温强度: Cu 和 Ni 可提高 150–300 °C 下的强度保持率.
  含镍合金 (例如。, B390) 用于高热部件, 因为即使长时间暴露在高温下，它们也能保持硬度和强度.
  Cr 还通过控制晶粒生长来帮助保持高温强度.
• 维稳定性: Si 和 Ni/Cr 降低 CTE, 提高热循环下的尺寸稳定性.
  高硅合金 (例如。, A413, B390) CTE 为 21.0–22.5 × 10⁻⁶ /°C, 与低硅合金 22.0–23.5 × 10⁻⁶ /°C 相比 (例如。, 518)— 使其成为在温度波动下必须保持形状的精密部件的理想选择.
• 蠕变阻力: Ni和Cr提高抗蠕变性 (在高温下长期受力变形), 对于在恒定负载和热量下运行的发动机部件和液压阀至关重要.

6. 合金系统: al-si, al-mg, 及其他

商业压铸铝合金分为三个主要系统, Al-Si 系因其平衡的铸造性和性能而占据主导地位.

每个系统都是根据特定的应用需求定制的, 合金成分经过优化以满足关键性能要求.

铝硅系统 (300 和 400 系列)

该系统占超过 90% 压铸铝应用, 合金含有 6–18 wt% Si 和不同的 Cu/Mg 浓度.

关键子类别由相对于共晶点的 Si 含量定义 (11.7 wt％):

• 亚共晶 (300 系列): A380, A360, A383, A384 (硅=7–11.7 wt%).
  这些合金平衡了铸造性和强度, 适用于通用结构部件 (例如。, 汽车住房, 括号) 同时需要可加工性和性能的地方.
• 近共晶 (400 系列): A413 (硅=10.7–12.5重量%).
  这些合金表现出最佳的流动性和压力密封性, 非常适合薄壁, 泄漏关键部件 (例如。, 液压歧管, 阀体).
• 过共晶 (B系列): B390 (硅=14–16 重量%).
  这些合金由于具有粗大的初生硅颗粒而具有高耐磨性, 适用于磨损是主要问题的发动机气缸和活塞.

铝镁系

主要以合金为代表 518 (铝–5%镁), 该系统缺乏大量的 Si 或 Cu.

它具有所有常见压铸合金中最佳的耐腐蚀性和延展性，但铸造性非常差 (流动性低, 高热撕裂倾向).

因此, 仅限于厚壁重力压铸或半固态铸造, 腐蚀敏感元件 (例如。, 海洋配件, 建筑部分) 耐腐蚀性优先于可铸性.

铝锌系

该系统中没有广泛使用的压铸合金, 作为以锌为主的合金 (7XXX系列) 通常是锻造的 (不是压铸的).

Zn 仅作为次要添加剂出现 (0.5–3.0 wt％) 在压铸合金中 (例如。, ADC12/A383) 提高机械加工性和中等强度, 但高锌会促进热裂并降低耐腐蚀性——限制其在特定应用中的使用.

7. 对不同压铸工艺的影响

合金选择与压铸工艺密切相关, 因为每个流程对流动性都有不同的要求, 固化率, 和熔融反应性.

将合金与工艺相匹配可确保最佳的铸造质量和部件性能.

高压铸造 (HPDC)

HPDC 需要快速充模 (2–5 m/s) 薄片的 (≤1.0毫米), 有利于流动性优异、凝固间隔窄的高硅合金.

主要合金包括 A380, A383, A384 (亚共晶硅) 和A413 (近共晶硅).

这些合金可快速填充复杂模具并具有较低的热撕裂倾向, 使它们适合复杂部件的大批量生产.

低铜合金 (A360, A413) 当担心粘模时使用, 而富镁合金 (518) 由于流动性差，一般不适合 HPDC.

低压重力压铸

这些过程允许较慢的填充 (0.1–0.5 m/s) 和较厚的部分 (3–10毫米), 允许使用流动性较低但使用性能更好的合金.

A360 等合金 (平衡强度/腐蚀) 和 518 (优异的腐蚀性/延展性) 在这里使用, 由于较慢的填充减少了湍流和孔隙率，从而提高了部件质量.

更温和的凝固还可以最大限度地减少富镁合金的热撕裂, 扩大其适用范围.

半固体模具铸造

该工艺使用半固态浆料 (50–60% 固体) 填充模具, 有利于具有精细微观结构的合金 (例如。, A356, A360) 可以很容易地进行触变成型.

晶粒细化剂 (你/B) 常用于提高浆料均匀度, 同时控制 Mg 和 Cu 以平衡强度和加工性能，使该工艺适合高精度, 高强度组件.

8. 结论

合金元素是压铸铝合金性能的基础, 控制微观结构演化, 铸造加工性, 和服务属性.

它们的作用由明确的冶金机制和相互依赖性决定: Si 具有可铸性和耐压性, Cu 以牺牲耐腐蚀性为代价来提高强度, 镁平衡强度和耐腐蚀性, Fe 防止模具粘连 (含锰缓解), 和微量元素微调特定属性.

成功的合金选择和设计的关键是平衡这些元素的协同​​效应和拮抗效应，以满足应用和铸造工艺的特定要求.

对于复杂的, 耐压元件, 近共晶铝硅合金 (例如。, A413) 是理想的; 用于高强度结构件, 亚共晶Al-Si-Cu合金 (例如。, A380) 是首选; 用于腐蚀敏感部件, 低铜铝硅镁或铝镁合金 (例如。, A360, 518) 被选择.

作为轻量化制造, 电动汽车, 和精密压铸的进步, 合金元素设计将继续发展——重点是低铜, 低杂质, 以及可提高可持续性的稀土改性合金, 耐腐蚀性, 和高温性能.